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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der am 10. Januar 2011 eingereichten
koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2011-0002436 mit dem Titel „Switched Reluctance Motor”, die hierdurch in ihrer Ganze in diese Anmeldung aufgenommen ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanzmotor.
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2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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Ein allgemeiner geschalteter Reluktanzmotor weist eine magnetische Struktur auf, bei dem sowohl ein Stator als auch ein Rotor ein Einzelpol sind. Außerdem ist um den Stator eine konzentrierte Wicklungsspule gewickelt, und der Rotor ist nur aus einem Eisenkern ohne irgendwelche Erregungseinrichtung (z. B. eine Wicklung, ein Permanentmagnet oder dergleichen) ausgebildet, um eine ausgezeichnete preisliche Wettbewerbsfähigkeit zu haben. Weiterhin kann ein drehzahlveränderbarer geschalteter Reluktanzmotor mit der Hilfe eines Wandlers unter Verwendung eines Leistungshalbleiters und eines Positionssensors ein kontinuierliches Drehmoment stabil generieren und kann gemäß der für jede Anwendung erforderlichen Leistung leicht gesteuert werden.
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Selbst wenn der geschaltete Reluktanzmotor aufgrund einer einfachen Rotorstruktur preiswert ist, weist er Probleme dahingehend auf, dass er einen Wandler verwenden sollte, der aus einem Halbleiterschalter ausgebildet ist, um ein Reluktanzdrehmoment zu generieren, weist erhöhte Kosten des ganzen Systems auf und sollte eine teure Steuerschaltung enthalten, die zur Durchführung einer schnellen Verarbeitung in der Lage ist, um während des schnellen Ansteuerns davon eine Steuerung entsprechend durchzuführen.
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Ein Universalmotor, der hauptsächlich auf den Gebieten wie etwa einem Reiniger, einem Elektrowerkzeug oder dergleichen verwendet wird, verwendet einen Kommutator und eine Bürste, die eine einfache mechanische Struktur darstellen, um ein Drehmoment zu generieren, ohne den Wandler und den Positionssensor zu verwenden, und weist auf den obigen Gebieten aufgrund eines Vorteils, eine preiswerte Mittelstruktur zu haben, statt die Leistung durch die Steuerung zu verbessern, dabei breite Anwendung auf. Bei dem Universalmotor jedoch ist die Spule um den Rotor sowie um den Stator gewickelt, was zu einer Erhöhung der Materialkosten und einem Kupferverlust des Rotors führt, wodurch die Effizienz des Motors reduziert wird. Es ist deshalb schwierig, den Universalmotor in einem Modell vom High-End-Typ, das hohe Effizienz erfordert, zu verwenden.
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß dem Stand der Technik. Der geschaltete Reluktanzmotor 100, von dem in 1 nur eine Phase gezeigt ist, enthält einen Rotor 110, einen mit einem Statorpol 121 ausgebildeten Stator 120 und eine um den Statorpol 121 gewickelte Spule 130. Wenn ein Strom an die Spule angelegt wird, wird in dem Statorpol ein Magnetfeld generiert, und zwischen dem Statorpol 121 und dem Rotor 110 wird eine Anziehungskraft zum Drehen des Rotors 110 generiert.
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Wenn außerdem mehrere Phasenwicklungen um mehrere Statorpole gewickelt werden, werden die Phasenwicklungen der Statorpole nacheinander erregt, um eine Drehmoment zu generieren, wodurch der Rotor gedreht wird. Da in diesem Fall eine Positionsrückkopplung des Rotors erforderlich ist, ist ein Positionssensor erforderlich und ein aus einem Leistungshalbleiter ausgebildeter Wandler ist ebenfalls erforderlich, um entsprechend der Position des Rotors einen Strom an die Wicklung des Stators anzulegen. Außerdem ist für eine komplizierte und schnelle Verarbeitung ein darin montierter Controller mit einem digitalen Signalprozessor (DSP), eine Mikrocontollereinheit (MCU) oder dergleichen erforderlich.
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Da wie oben beschrieben der geschaltete Reluktanzmotor gemäß dem Stand der Technik notwendigerweise den Wandler, den Controller und den Positionssensor zu seiner Ansteuerung enthalten sollte, kann er nicht mit niedrigen Kosten implementiert werden, weist einen verschlechterten Freiheitsgrad beim Design aufgrund einer komplizierten technischen Konfiguration auf und besitzt eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall oder einen Fehler.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung erfolgte in den Bemühungen, einen geschalteten Reluktanzmotor bereitzustellen, bei dem eine Spule um einen Rotor anstatt um einem Stator gewickelt ist und nur eine Phasenwicklung ein kontinuierliches Drehmoment generieren kann, um die Produktionskosten aufgrund der Reduktion bei der Wicklung zu reduzieren, ein Raumteil um einen Statorpol herum ausgebildet ist, um den Luftfluss aufgrund einer Zunahme bei einem freien Bereich zu erhöhen, wodurch die Leistung eines Reinigers verbessert wird, und ein Drehmoment, das eine mechanische Phasenumwandlung durchführt, durch Verwenden eines Kommutators und einer Bürste ohne Verwendung eines Wandlers und eines Positionssensors generiert wird, um dadurch eine Implementierung mit einer einfachen mechanischen Struktur bei geringen Kosten zu ermöglichen.
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Weiterhin erfolgte die vorliegende Erfindung bei dem Bemühen, einen geschalteten Reluktanzmotor bereitzustellen, bei dem ein Voreilwinkel und ein Schließwinkel mit einem direkten Einfluss auf die Leistung eines Motors gesteuert werden durch Ändern eines Positions- und Bogenwinkels eines Kommutators und einer Bürste, wodurch ein Design gemäß einem optimalen Arbeitspunkt (maximale Effizienz, maximales Drehmoment oder dergleichen) durchgeführt werden kann, und in zwei Paaren von Statorpolen generierte jeweilige positive Drehmomentgebiete unter Verwendung des Designverfahrens gesteuert werden, um ein überlappendes Drehmoment zu ändern, wodurch ein Design zum Reduzieren einer Drehmomentwelligkeit ermöglicht wird.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein geschalteter Reluktanzmotor bereitgestellt, der Folgendes enthält: einen Rotor mit einer darum gewickelten Spule;
Kommutatoren, die an beide Enden des Rotors angeschlossen sind; Bürsten, die die Kommutatoren durch eine Drehung des Rotors mechanisch kontaktieren; und einen Stator mit daran fixierten Bürsten und mit Statorpolen, wobei die Bürsten um einen Voreilwinkel von einer Verbindungsachse von Statorpolen gegenüber einander bewegt werden und montiert sind.
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Die Bürste kann um den Voreilwinkel von der Verbindungsachse der Statorpole einander gegenüber und gegen den Uhrzeigersinn in dem Fall bewegt und montiert werden, dass der Rotor im Uhrzeigersinn gedreht wird, und der Voreilwinkel kann ein Bereich zwischen dem Anlegen einer Spannung und dem Anstieg einer Induktanz sein.
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Ein Schließwinkel, eine Spannungsanlegungsperiode, kann durch Bogenwinkel des Kommutators und der Bürste gesteuert werden.
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Der Schließwinkel kann als d = X + 2Y definiert werden, wobei X einen Bogenwinkel der Bürste angibt und Y einen Bogenwinkel des Kommutators angibt.
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Der Schließwinkel kann so eingestellt werden, dass eine Spannung abgeschaltet wird, bevor ein negatives Drehmoment generiert wird.
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Beide Enden der Kommutatoren können mit der um den Rotor gewickelten Spule verbunden sein. Die Bürsten können in zwei Paaren vorgesehen sein, wobei jedes Paar von Bürsten einander gegenübersteht, und Enden eines Paars von Bürsten der beiden Paare von Bürsten sind mit einer Stromversorgung verbunden und Enden des anderen Paars von Bürsten davon sind mit einer Diode verbunden.
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Der Statorpol kann aus einem Permanentmagneten ausgebildet sein.
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Der Stator und der Rotor können ein Einzelpoltyp sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß dem Stand der Technik;
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2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine grafische Darstellung, die eine Induktanz gemäß einer Position eines Rotors in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist eine grafische Darstellung, die eine angelegte Spannung gemäß einer Position eines Rotors in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist ein Verwendungszustandsdiagramm, das die Einstellung eines Voreilwinkels und eines Schließwinkels gemäß Positionen eines Kommutators und einer Bürste in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm gemäß der Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm gemäß der Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm einer Phasenumwandlung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm gemäß der Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm gemäß der Spulenerregung in einen geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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11 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm einer Phasenumwandlung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Verschiedene Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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Die Ausdrücke und Worte, die in der vorliegenden Patentschrift und den Ansprüchen verwendet werden, sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie auf typische Bedeutungen oder Wörterbuchdefinitionen beschränkt sind, sondern sollten so ausgelegt werden, dass sie Bedeutungen und Konzepte aufweisen, die für den technischen Schutzbereich der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Regel relevant sind, gemäß der ein Erfinder das Konzept des Ausdrucks angemessen definieren kann, um das beste Verfahren, das er für das Ausführen der Erfindung kennt, am angemessensten zu beschreiben.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstehen. In der Patentschrift ist beim Hinzufügen von Bezugszahlen zu Komponenten durch die Zeichnung hinweg anzumerken, dass gleiche Bezugszahlen gleiche Komponenten bezeichnen, obwohl Komponenten in verschiedenen Zeichnungen gezeigt sind. Wenn weiterhin bestimmt wird, dass die ausführliche Beschreibung des bekannten Stands der Technik bezüglich der vorliegenden Erfindung den Kern der Erfindung möglicherweise verdunkelt, wird die ausführliche Beschreibung davon entfallen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ein geschalteter Reluktanzmotor gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, ist der geschaltete Reluktanzmotor 200 so konfiguriert, dass er einen Rotor 210, Kommutatoren 220a und 220b, Bürsten 230a, 230b, 230c und 230d, eine Spule 240 und einen Stator 250 enthält.
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Insbesondere ist die Spule um den Rotor 210 gewickelt, und die Kommutatoren 220a und 220b sind mit beiden Enden des Rotors verbunden und sind mit der um den Rotor 210 gewickelten Spule 240 verbunden. Bei dieser Konfiguration ist der Rotor mit den beiden Kommutatoren 220a und 220b so verbunden, dass eine Mittelachse davon mit jenen der beiden Kommutatoren 220a und 220b zusammenfällt. Außerdem sind der Stator 250 und der Rotor 210 ein Einzelpoltyp.
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Weiterhin werden die Bürsten 230a, 230b, 230c und 230d in zwei Paaren bereitgestellt und sind an dem Stator 250 fixiert, wobei jedes Paar von Bürsten einander gegenübersteht, und der Stator 250 enthält zwei Paare von Statorpolen 251, wobei jedes Paar von Statorpolen einander gegenübersteht. Die Bürsten kontaktieren die Kommutatoren 220 mechanisch durch eine Drehung des Rotors 210. Wenn außerdem der Rotor im Uhrzeigersinn gedreht wird, werden die Bürsten um einen Voreilwinkel a von einer Verbindungsachse der Statorpole 251 einander gegenüber entgegen den Uhrzeigersinn bewegt und montiert.
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Außerdem ist ein Paar von Bürsten 230a und 230b mit einer nichtgezeigten Stromversorgung verbunden, und das andere Paar von Bürsten 230c und 230d ist mit einer Diode 260 verbunden.
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Die Statorpole 251 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können aus einem Permanentmagneten ausgebildet sein, um ein Drehmoment zu verbessern.
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Durch die oben erwähnte Konfiguration werden die Kommutatoren 220a und 220b mit der gleichen Achse wie der des Rotors 210 mit der Drehung des Rotors 210 zusammen gedreht und kontaktieren die Bürste mechanisch, so dass eine Spannung ein-/ausgeschaltet wird.
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Im Folgenden werden eine Struktur und ein Arbeitsprinzip des geschalteten Reluktanzmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben ausführlich beschrieben.
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3 ist eine grafische Darstellung, die eine Induktanz gemäß einer Position eines Rotors in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 4 ist eine grafische Darstellung, die eine angelegte Spannung gemäß einer Position eines Rotors in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und 5 ist ein Verwendungszustandsdiagramm, das die Einstellung eines Voreilwinkels und eines Schließwinkels gemäß Positionen eines Kommutators und einer Bürste in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie in 3 bis 5 gezeigt, wird ein gewünschter Stromwert während des Anlegens einer Spannung nicht sofort erreicht, und ein Strom wird während des Abschaltens der Spannung nicht sofort beseitigt, und zwar aufgrund der Charakteristika einer Induktanz. Deshalb ist es wichtig, den Voreilwinkel für einen sich aufbauenden Strom und einen Schließwinkel für das Abstellen der Spannung, bevor ein negatives Drehmoment in einer Periode minimaler Induktanz generiert wird, auszulegen. Es ist dadurch möglich, Rollen des Positionssensors und des Wandlers gemäß dem Stand der Technik zu implementieren.
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Insbesondere ist
wobei T ein Drehmoment, θ eine Position eines Rotors, i einen Phasenstrom und L eine Induktanz angibt.
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Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, wird ein Drehmoment durch einen generierten Strom und eine Änderungsrate einer Induktanz bestimmt.
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Deshalb gibt der Voreilwinkel einen Bereich zwischen dem Anlegen der Spannung und dem Anstieg der Induktanz an, die Spannung wird um den Voreilwinkel a angelegt und die Induktanz steigt dann an, so dass ein Bereich positiven Drehmoments entsteht. Eine Spannungsanregungsperiode, die der Schließwinkel d ist, wird durch einen Bogenwinkel X der Bürste und einen Bogenwinkel Y des Kommutators gesteuert. Infolgedessen ist der Schließwinkel definiert als d = X + 2Y, wobei X den Bogenwinkel der Bürste angibt und Y den Bogenwinkel des Kommutators angibt.
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Außerdem wird der Schließwinkel d so eingestellt, dass die Spannung abgeschaltet wird, bevor ein negatives Drehmoment generiert wird.
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Im Folgenden werden die Drehmomentgenerierung und die Phasenumwandlung des geschalteten Reluktanzmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
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Die 6 und 7 sind schematische Verwendungszustandsdiagramme gemäß Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 8 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm einer Phasenumwandlung gemäß der Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 6 bis 8 gezeigt, werden, wenn eine (+)-Spannung an die Bürste 230a angelegt wird, und eine (–)-Spannung an die Bürste 230b angelegt wird, so dass ein Strom in der Spule 240 fließt, die Kommutatoren 220a und 220b im Uhrzeigersinn in einen Zustand gedreht, in dem sie die Bürsten 230a und 230b kontaktieren.
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Außerdem kontaktieren, wie in 7 gezeigt, die Kommutatoren 220a und 220b alle der oberen/unteren und linken/rechten Bürsten 230a, 230b, 230c und 230d. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Sperrspannung an die Diode 260 angelegt, so dass die Diode nicht leitet.
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Weiterhin wird, wie in 8 gezeigt, wenn die Kommutatoren 220a und 220b nur die oberen/unteren Bürsten 230c und 230d kontaktieren, eine externe Spannung nicht durch die linken/rechten Bürsten 230a und 230b angelegt und die Spannung wird aufgrund von Induktanzcharakteristika der Spule umgekehrt. Außerdem fließt ein Strom mit der gleichen Richtung in der Spule und eine konstante Spannung wird an die Diode angelegt.
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Die 9 und 10 sind schematische Verwendungszustandsdiagramme gemäß Spulenerregung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 11 ist ein schematisches Verwendungszustandsdiagramm der Phasenumwandlung in einem geschalteten Reluktanzmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 bis 11 gezeigt, wenn die (+)-Spannung an die Bürste 230b angelegt wird und die (–)-Spannung an die Bürste 230a angelegt wird, so dass der Strom in der Spule 240 fließt, werden die Kommutatoren 220a und 220b im Uhrzeigersinn in einen Zustand gedreht, in dem sie die Bürsten 230a und 230b kontaktieren.
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Außerdem kontaktieren, wie in 10 gezeigt, die Kommutatoren 220a und 220b alle der oberen/unteren und linken/rechten Bürsten 230a, 230b, 230c und 230d. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Sperrspannung an die Diode 260 angelegt, so dass die Diode nicht leitet.
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Weiterhin wird, wie in 11 gezeigt, wenn die Kommutatoren 220a und 220b nur die oberen/unteren Bürsten 230c und 230d kontaktieren, die externe Spannung nicht durch die linken/rechten Bürsten 230a und 230b angelegt und die Spannung wird aufgrund von Induktanzcharakteristika der Spule umgekehrt. Außerdem fließt ein Strom mit der gleichen Richtung in der Spule und eine konstante Spannung wird an die Diode angelegt.
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Bei dem geschalteten Reluktanzmotor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Spule um den Rotor anstatt um den Stator gewickelt und nur eine Einphasenwicklung kann kontinuierliches Drehmoment generieren, um Produktionskosten aufgrund der Reduktion bei der Wicklung zu reduzieren, ein Raumteil ist um den Statorpol herum ausgebildet, um den Luftfluss aufgrund einer Zunahme bei einem freien Bereich zu erhöhen, wodurch die Leistung eines Reinigers verbessert wird, und ein Drehmoment, das eine mechanische Phasenumwandlung durchführt, durch Verwenden eines Kommutators und einer Bürste ohne Verwendung eines Wandlers und eines Positionssensors generiert wird, um dadurch eine Implementierung mit einer einfachen mechanischen Struktur bei geringen Kosten zu ermöglichen. Außerdem werden der Voreilwinkel und der Schließwinkel mit einem direkten Einfluss auf die Leistung des Motors gesteuert durch Ändern der Position und der Bogenwinkel eines Kommutators und einer Bürste, wodurch ein Design gemäß einem optimalen Arbeitspunkt (maximale Effizienz, maximales Drehmoment oder dergleichen) durchgeführt werden kann, und in zwei Paaren von Statorpolen generierte jeweilige positive Drehmomentgebiete unter Verwendung des Designverfahrens gesteuert werden, um ein überlappendes Drehmoment zu ändern, wodurch ein Design zum Reduzieren einer Drehmomentwelligkeit ermöglicht wird.
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Wenngleich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken offenbart wurden, sind sie dafür gedacht, die vorliegende Erfindung spezifisch zu erläutern, und somit ist ein geschalteter Reluktanzmotor gemäß der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern der Fachmann versteht, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und Gedanken der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen offenbart, abzuweichen.
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Dementsprechend sollten solche Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen auch so verstanden werden, dass sie in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2011-0002436 [0001]
